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自从20世纪60年代美国采用红宝石激光器在钻石上打孔以来,激光加工技
术经过几十年的发展,已成为工业生产中的一项常用技术。在今天,几乎所有的
重要工业部门都心朋了激光器。在国际范围内比较,激光加1二的应用在各个地区
的各个行业有所不同:在美国,激光加工主要应用于汽车业和金属加工业;在亚
洲,电气工业和半导体工业则是激光器供应商的较大客户;在欧洲,金属加上业
和汽车业中的激光加j二应用较多,而在半导体I:业则相对较少。另外,在欧洲,
激光器在其他行业,如塑料加工业中也有J“泛的应用。
图1-1给出了各种激光加工方法在重要工业领域中的应用比例。
激光材料加丁按其加上方法可分为切割、焊接、热处理及表面处理、雕刻、
打孔、刻蚀以及激光成形和激光快速成形等。
汽车行业不仅是激光加j二较重要的应用部门,而且在某种程度上说,也是引
入新型激光器和加工方法的开创者。从图1—2中小轿车的生产工艺可以看出,激
光加工方法在很大范围内得到了成功应用。
汽车上业中,激光技术主要用于车身拼焊、焊接和零件焊接。激光拼焊是在
车身设计制造中,根据车身不同的设计和性能要求,选择不同规格的钢板,通过
激光裁剪和拼装技术完成车身某一部位的制造,例如,前挡风玻璃框架、车门内
板、车身底板、中立柱等。激光拼焊具有减少零件和模具数缝、减少点焊数目、
优化材料用量、减小零件质量、降低成本和提高尺寸精度等好处,目前已经被许
多大汽车制造商和配件供应商所采用,激光焊接主要用于车身框架结构的焊接。
例如,顶盖与侧面车身的焊接,传统焊接方法的电阻点焊已经逐渐被激光焊接所
代替。用激光焊接技术,工件连接之间的接合面宽度可以减少,既降低了板材使
用量,也提高了车体的刚度。激光焊接零部件,零件焊接部位几乎没有变形,焊
接速度快,而且不需要焊后热处理,目前激光焊接零部件已经广泛采用,常见于
变速器齿轮、气门挺杆、车门铰链等。
工业激光器作为一种高效可靠的生产工具已被广泛接受,激光焊接作为一种
重要的激光加工技术得到了日益广泛的应用和不断的开发与研究。随着工业激光
器的出现,在某些领域中,激光焊接已经成了一些传统的焊接方法的替代技术
(如电阻点焊和电弧焊).这是因为激光焊接具有其独特的优点:
(1)热输入量小、深宽比大,因此热影响区小,工件收缩和变形较小;
(2)焊接具有连续性和可重复性;
(3)焊道窄且表面质量好,焊缝强度高(刚度增加同时焊缝尺寸减小,与不
连续电阻点焊相比较具有较高的静载强度和疲劳强度);
(4)对于准确定位的焊缝易于实现自动化;
(5)可实现异种材料的焊接;
(6)激光束控制(包括分时控制)比较灵活,柔性大,能够焊接其他焊接方
法难以达到的位置;
(7)焊接速度通常比其他焊接工艺快;
(8)某些情况下可减少后处理工序(如焊缝的清理)。
与此同时,激光焊接也存在一定的缺点:
(1)焊接淬硬性材料时易形成硬脆接头;
(2)合金元素的蒸发会导致焊缝出现气孔和咬边;
(3)相对于其他焊接工艺成本较高;
(4)对工件的装配、夹持及激光束的精确调整要求相对较高。
激光焊接的上述特点,使得激光焊接方法的选择和焊接结果的预测比较复
杂。事实上,成功地进行激光焊接需要考虑三方面的因素,即激光参数、焊接工
艺要求和相关工序。
由上述可知,激光焊接具有与传统焊接方法不同的特点,表1-1列出了激光
焊接与传统焊接方法的焊接性能特点比较。
表1·1激光焊接和传统焊接工艺的比较
性能特点激光焊 电子束焊 电阻点焊 钨极氢弧焊 摩擦焊 电容放电焊接
焊接质量 极好 极好 较好 好 好 极好
焊接速度 高 高 中等 中等 中等 很高
热输入量 低 低 中等 很高 中等 低
焊接接头装配要求 高 高 低 低 中等 高
熔深 大 大 小 中等 大 小
焊接异种材料的范围 宽 宽 窄 窄 宽 宽
焊件几何尺寸的范围 宽 中等 宽 宽 窄 窄
可控性 很好 好 较好 较好 中等 中等
自动化程度 极好 中等 极好 较好 好 好
初始成本 高 高 低 低 中等 高
操作和维护成本 中等 高 中等 低 低 中等
加工成本 高 很高 中等 中等 低 很高
从表1-1中可见,激光焊接的有力竞争者是电子束焊接。图1-3为这两种焊
接方法的焊接功率和熔深的关系。当功率为lkW时,两者的熔深大致相等,而
当功率大、焊接速度快时,则电子束焊接比激光焊接能够获得更大的熔深。很显
然,电子柬焊对于厚板焊接更为有利。
但相对电子束来说,激光焊有一个很大的优点:完全不需要真空室。电子束
焊虽然也有非真空室的,但有减小熔深及需要放射线防护等多方面的问题,因而
几乎没有使用。激光焊不需要真空室,这样工件的尺寸、形状等可以不受限制并
可实现加工自动化。
近年来,激光器的开发研究取得了较大进展,多种新型激光器陆续在工业生
产中出现,如直流板条式002激光器、二极管泵浦YAG激光器、大功率半导体
激光器、光纤激光器等。而且激光器的功率等级也越来越大,45 kW的002激
光器、5 kW的Nd:YAG激光器已上市。随着这些大功率激光器产品化,激光焊
的应用范围逐渐在各工业领域扩展。现代激光焊接技术开始向大厚板、高适应
性、高效率和低成本的方向发展。随着新材料、新结构的出现,激光焊接技术将
逐步替代一些传统的焊接工艺,而在工业生产中占据重要地位。